1 引言

模具是現代（dài）工業生產中的重要工藝裝備， 模具技術是製造行業的核心技術。隨（suí）著模具產品（pǐn）向著更大型、 更精密、 更複雜及更經濟快速的方向發展， 模具產品的技術含量不斷提高， 模具製造周期不斷縮短， 模具生產向著精準、 高效、 數字化的（de）方向（xiàng）發展， 傳統的勞動（dòng）密集型成型工藝（yì）已很難滿足 [1] 。數字化製造、 智能（néng）製造技術已經成為精密注塑模具製造技術研究的熱（rè）點 [2] 。王濤等闡述了數字化工廠對於精密（mì）注塑模（mó）具生產的重要性 [3] ， 並對注（zhù）塑（sù）模具數字化工廠中的產品數（shù）據管理（lǐ）、 工件快速識別、 刀具壽命管理等關鍵技術進行研究。尹國濤針對（duì）汽車覆蓋件個性（xìng）化製孔的（de）需求 [4] ， 提出並實現了一種基於工業6軸機器人和專用衝孔鉗的柔（róu）性衝孔係統。胡琪強 [5] 、 Jiang [6] 、 吳定會等研究了（le）製造執行係統MES及其在模具車間的應用 [7] 。馮誌新等從汽車塑料件（jiàn）模具製造工藝出發 [8] ， 提出了汽車塑料件模具關鍵部件鑲塊的柔性（xìng）化製造方案， 並對鑲塊的（de）快速裝夾和自動識別、 基於圖（tú）像識別的加工坐標係（xì）標定等技術進（jìn）行（háng）了深入（rù）研究。梁盈富等針對汽車輪轂製造生產線設計實現了智能製造係統（tǒng）的（de）總體框（kuàng）架 [9] ， 分析了MES係（xì）統、 PLC技術、 RFID技術、 工（gōng）業機器人技（jì）術在該係統中的結合應用。趙偉（wěi）博等研究了智能製造切削加工係統的總（zǒng）體架構 [10] ， 並結合（hé）MES軟件將數控車床（chuáng）、 加工（gōng）中心、 PLC、 機（jī）器人（rén）、 RFID及立體倉庫等信息係統進行有效結合， 完成（chéng）了生產過程的智能化管理係（xì）統架構設計（jì）。湯文燦等對模具柔性生產線的智能調度展開研（yán）究 [11] ， 提出了基於（yú）分組蝙蝠算法GBA的單目標調度方（fāng）案和基於多目標蝙蝠算法MOBA度策略。黃沈權 [12] 、 徐岩等對基於模具雲的網絡製（zhì）造模式進行（háng）研究 [13] ， 以實現模（mó）具不同（tóng）區（qū）域協（xié）同生產製造， 整合製造資源， 比如生（shēng）產設備、 應用軟件、 製（zhì）造信息等製造（zào）資源。但是對於模具零件， 特（tè）別是型（xíng）芯等核心零件的（de）智能製造係統設計和應用的研究依然不多。型芯是模具的核心（xīn）零件， 其曲麵結構複雜， 加工工藝難度大， 周期長。為了提高型芯加工效率， 設計（jì）了一種精密模具零件智能製造單元， 該單（dān）元包括CNC加（jiā）工中心、 EDM加工（gōng）設備、 工業機器人、 自動夾具、RFID技術、 MES係統等。係統通過3R夾具實現模具零件（jiàn）的自動裝夾， 使用（yòng）RFID芯片實現模具工件的快速識別， 利用工業（yè）機器人實現模具零件的自（zì）動上下料。論文詳細闡述了智能（néng）製造單元的控製結構（gòu）和通訊網絡結構， 分析了（le）工業機（jī）器人的控製流程。最後通過（guò）塑料瓶模具的型芯批量加工實例， 對智能製造單元的基本工藝流（liú）程進行總結（jié）。

2 係統組成與布局

模具智能製造單元硬件由加工設備、 工業機器人（rén）係統、 RFID係統以及料庫（kù）、 裝（zhuāng）載站等組成。加工設備一共6台， 其中2台CNC加工中心用於（yú）模具工件 （型芯） 的銑削加工， 1台加工（gōng）中心專門用於電極的加工（gōng）， 以及（jí）3台EDM加工設備用於模具工件的放電加工。智能製造單元配置（zhì）2個模具工件料庫和一個電極料庫。每個個模具工件料庫上（shàng）下分為4層， 每層可存（cún）放4個工件；電極料庫為旋轉料庫， 上下分為6層， 每層可存放（fàng）30個電極。工業（yè）機（jī）器人負責機床的自動上下料、 以及裝載站和料庫自動（dòng）取放料， 並在加工設備、 料庫和裝（zhuāng）載（zǎi）站之間搬運模具工件和電極。為了擴展機器人的作業（yè）範（fàn）圍（wéi）， 需要配置導軌以實現對所有操作設備的覆蓋。智能製造單元的整體布局結構如圖1所示（shì）。

模具工件和電極通過3R夾具實現快速定位和裝（zhuāng）夾。3R夾具的重複定位精度為（wéi）0.002mm。每個模具工件和電極配置一個托盤， 托盤嵌有RFID芯片。通過RFID係統為每一個模具工件/電極賦予唯一的（de）識別編碼， 該編碼存在（zài）於工件的整（zhěng）個訂單周期（qī）， 用於識別跟（gēn）蹤工件的加工狀態， 管理工件加工過程數據， 比如加工坐標係偏移、 加工程序、 電極編碼、 放電程序等 [14] 。

圖1 模具智能製造係統整體布（bù）局

3 係統控製（zhì）與通信原理

整個模具智能製造單元的（de）控製分為MES層、 控製層和設備層3個（gè）層麵。頂層的MES層負責車間現場的生產調度管理、 工藝任（rèn）務排產、 現場設（shè）備（bèi）管理監控、庫存物（wù）料管理， 主要包括 MES 軟件（jiàn）、 工（gōng）藝數據庫係統 [15] 。中（zhōng）間控製層負責各個設備的控製和實時數（shù）據采集（jí）， 主要包括機器人控製器和PLC控製器。底層設（shè）備層負責完成（chéng）具體的加工（gōng）任務， 比如放電加工、 銑削加工以及物流搬運等， 主要包括6台加工設備、 工業機器人本（běn）體以及料庫等。圖2所示為智能製造單元的整體（tǐ）網絡通訊及控製（zhì）結構（gòu）。

在本係統中MES計算機為主控計算， 機（jī）器（qì）人控製器與PLC為主控（kòng）製器。MES計算機（jī）與機（jī）器人控製器、加工設（shè）備之間通過工業以太網連接， MES計算機與機器人控（kòng）製器、 加工設備之間的（de）通信采（cǎi）用TCP/IP通信（xìn）協議。MES軟件直接通過數控係統開放接口讀取加工（gōng）設備的運行狀態， 修改G54坐標偏置， 下載加工（gōng）程序到（dào）加工設備存儲器中（zhōng）。MES軟件與機器人（rén）運動控製（zhì）程序之間通過（guò）SOCKET通訊， MES軟件通（tōng）過修改機器人R[1]~R[5]寄存器的值， 實現對機器人運動（dòng）的交互和控製。

圖2 係統控製和通（tōng）訊結構

機器人控製器負責控製機器人的運動和末端執行器的動作， PLC負責控製整條生產線的邏輯控製、信（xìn）號采集， 機器人控製器和PLC之間通過CC-LINK總線進行通訊。PLC 選用（yòng）三菱（líng） Q 係列， 主基板 Q38B，CPU Q03UDECPU，配 置 一（yī） 個 遠 程 通 訊 模 塊QJ61BT11N和輸入（rù）輸出模塊QX40/QY40P。PLC作為為主站， 加工設備為遠程IO站， 旋轉電極庫為遠程設備站， 遠程通訊（xùn）模塊負責和遠程設備站（zhàn）、 遠程IO站進（jìn）行 通 訊 。遠 程 端 配 置 1 個 CC-LINK 輸（shū） 入 模 塊AJ65SBTB1-16D1， 用（yòng）於采集來（lái）自加工設備的氣壓、 設備 狀 態 等（děng） 信 號 ；配 置 3 個 CC-LINK 輸 出 模 塊AJ65SBTB1-8T， 用（yòng）於控製加工設備（bèi）的夾具（jù）開關、 機床吹氣、 設備增壓等動作；另（lìng）外單（dān）獨配置一個（gè）三菱FX5U-64M型號PLC用於旋轉電極庫的控製。對於裝（zhuāng）載站、 料庫， 則直接（jiē）通過輸入輸出模塊QX40/QY40P進行I/O通訊。

4 工業機器人控製（zhì）程序

工業機器人是實現模具自動生產的關鍵設備。在本（běn）係統中， 工業機器人的主要（yào）功能是接收來自MES軟件的任務， 完（wán）成（chéng）在加工設備、 料庫、 裝載站之間進行物料傳輸以及與PLC控製器之間（jiān）傳輸數據。因此其（qí）任務主要分為料庫取放料、 機床上下料、 掃描（miáo）、 回零等功能。

機器人控（kòng）製器通過（guò） Socket Message 來接（jiē）收來自MES軟件的任務。三菱機器人控製器允許使用寄存器R[1]~R[5]與上位機進行（háng）通訊， 定（dìng）義兩者之（zhī）間的通信協議如表1所示。

機器人（rén）主（zhǔ）控程序詳細流程如下：

（1） 步驟（zhòu）1。程序初始化， 初始化寄存器值。

（2） 步驟2。檢（jiǎn）查R[5]寄存器值， 若R[5]寄存器值與本地R[20]值不相等， 則表示有新的任務下發， 否則沒有新的（de）任務下發（fā）， 係統繼續等待接收新的任務（wù）。

（3） 步驟（zhòu）3。接受新任務， 將R[5]寄存器值賦值（zhí）給本地寄存器R[20]， R[1]~R[4]寄存器的值分別賦值給本地寄存器R[11]~R[14]。標記機器人狀態為忙碌， 此時不再（zài）接受新的任務。

（4） 步驟4。判斷R[11]值， 機器人進入不同的子程序。

（5） 步驟5。如果R[11]的值是（shì）1、 2、 3、 4， 則分別進入工件掃描、 料庫取料、 機床上下料、 料庫放料子程序， 執行相（xiàng）應的操作。執行完畢後， 主程序跳轉到步驟 1 繼（jì）續等待接受上位機的任務。

（6） 步驟 6。若 R[11]的值是 99， 則表示任務結束（shù）， 機器（qì）人運動返回零位後程序終（zhōng）止。機（jī）器人主程序流程如圖3所示。

圖3 機器人主程序流（liú）程

5 智能製造工藝流程與實例

模具智能製造單元配置2台北京（jīng）精雕 JDMR600 5 軸加（jiā）工 中 心 和 1 台 3 軸 雕 刻 機JDCT600T， 3 台（tái）三菱 EA8A 數控電火（huǒ）花成型加工機（jī）， 以及（jí）一台 FANUC R-2000iC/210F 6軸關節型機器人， 如圖4所示。

以某飲料瓶模具型芯小批量 （200 件） 加工（gōng）為例， 其自動生產工藝流程為：

（1） 係統準備。開啟係統， 檢查CNC、 EDM機（jī）床是否工作正常， 檢查（chá）油（yóu）位、 氣壓是否正常。完成加工設備準備工作， 設備回零（líng）後（hòu）將設備設（shè）置為自動狀態。

（2） 工件裝夾。將工件原料通過專（zhuān）用夾具安裝在3R夾具上， 如圖5所示。

（3） 工件（jiàn）分中。利用CMM完成對工件的分（fèn）中， 記錄工件原點到3R夾具原點的坐標偏置。

（4） 創（chuàng）建MES訂單。在MES軟件中創建訂單（dān）， 設置坐標偏置、 上傳 CNC 程序、 向 3R 夾具托盤上（shàng）的RFID芯片中寫入編碼。

（5） 自動加工。將（jiāng）工件放入裝載站， MES開（kāi）始自動執行訂單任務（wù）；係（xì）統檢測到（dào）裝載站信號後（hòu）， 機器人自動（dòng）到裝載（zǎi）站取料並放置到料庫。

（6） MES軟件根據當（dāng）前料庫信（xìn）息、 CNC狀態自動排（pái）單， 完成（chéng）工件的加工。

（7） 裝（zhuāng）載站取料：加工完成後， 機器人將已完成的工件放入裝載站。操作員手動將工件取出。

采用自（zì）動生產方式本單元（yuán）可以24h連續工作， 單個瓶模產品（pǐn）的生產（chǎn）周期縮短為5h， 每天單台設備可加工4.8個產品， 可有效提高效率， 降低（dī）人工成本。

圖4 智能製造單元實例

圖5 塑料瓶型（xíng）芯加工實例

6 結語

為了提高型芯零件的（de）加工效率（lǜ）， 設（shè）計了一種模（mó）具零件智能製造單元， 實現型芯等（děng）零件的自動銑削加工和放電加工。通過某塑料瓶模具（jù）型芯小批量加工（gōng）案例， 分（fèn）析了智能製造單元的製造工藝流程， 並證實該智能製造（zào）單元可以明顯提高零件加（jiā）工效率， 節約人（rén）工成本（běn）。

—The End—